CN101859886A - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料，所述负极材料是在硅/碳复合材料上包覆有碳包覆层。本发明还公开了锂离子电池负极材料的制备方法。由于碳包覆硅/碳复合材料的碳壳层的存在，避免了复合材料表面裸露的硅与电解液直接接触，在碳包覆硅/碳复合材料表面上形成了稳定的SEI膜，提高了其首次充放电效率和循环稳定性。

Description

一种锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及锂离子电池用负极材料的制备方法。
背景技术
由于便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用，对于高比能量、长循环寿命的锂离子电池的需求十分迫切。目前商品化使用的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，但是，由于石墨的理论比容量仅为372mAh／g，限制了锂离子电池比能量的进一步提高。硅因其具有极高的理论嵌锂比容量(4200mAh／g)、较低的储锂电位而引起研究者的极大关注。但是，硅材料在脱嵌锂过程中，存在严重的体积变化，容易造成硅颗粒的粉化，使电极片疏松，引起活性材料从集流体脱落，导致电池的循环稳定性大幅度下降。为克服硅的体积效应，人们普遍采用纳米结构的硅基复合材料来提高硅负极材料的循环性能，但是此类复合材料中的硅会裸露于电解液中，在硅表面会形成不稳定的SEI膜，降低了电极材料的循环性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种负极材料形貌规整、循环性能优异的负极材料。
本发明的技术方案如下所述：一种锂离子电池负极材料，所述负极材料是在硅/碳复合材料上包覆有碳包覆层。
所述硅/碳复合材料中硅和碳以及碳包覆层的碳的重量比为100:120～150：25～35。
所述碳包覆层是裂解碳包覆层。
所述硅/碳复合材料是纳米硅/裂解碳/石墨复合材料。
所述硅/碳复合材料中纳米硅、裂解碳和石墨的重量比为100：48～60：72～90。
所述负极材料的制备方法包括如下步骤，
（1）制备硅/碳复合材料；
（2）对硅/碳复合材料进行碳包覆处理。
将PVC溶于适量的四氢呋喃中，得到具有一定粘度的溶液，然后在磁力搅拌下，向溶液中慢慢加人适当配比的纳米硅粉和石墨，在室温下，待溶剂完全挥发后，形成块状的硅/碳复合材料前驱体，将所述硅/碳复合材料前驱体在混和气体保护下，于700-900℃焙烧2-4小时，得到步骤（1）的硅/碳复合材料，其中，所述石墨部分变为裂解碳，使得所述的硅/碳复合材料为纳米硅/裂解碳/石墨复合材料。
将硅/碳复合材料研磨成粉末，然后将粉末均匀的分散在酚醛树脂的酒精溶液中，形成一定粘度的浆料，在氮气保护的高温反应炉将所述浆料高温雾化成液滴，对所述液滴高温焙烧，得到锂离子电池负极材料。
所述高温焙烧温度为700-900℃，焙烧时间为2-4小时。
本发明的有益效果在于：采用喷雾干燥法对高温裂解法制备的硅/碳复合材料进行了表面碳包覆，得到了形貌规整、粒度分布均匀、核壳结构的碳包覆硅/碳复合材料。而且碳包覆后电极材料的电压滞后现象得到显著的改善。由于碳包覆硅/碳复合材料的碳壳层的存在，避免了复合材料表面裸露的硅与电解液直接接触，在碳包覆硅/碳复合材料表面上形成了稳定的SEI膜，提高了其首次充放电效率和循环稳定性。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
制备锂离子电池负极材料
将PVC（聚氯乙烯）溶于适量的四氢呋喃中，得到具有一定粘度的溶液，然后在磁力搅拌下，向溶液中慢慢加人纳米硅粉和石墨,纳米硅粉和石墨重量比为100：120。在室温下，待溶剂完全挥发后，形成块状的硅/碳复合材料前驱体，将所述硅/碳复合材料前驱体在混和气体保护下，于900℃焙烧2小时，得到步骤（1）的硅/碳复合材料，所述硅/碳复合材料是纳米硅/裂解碳/石墨，使得纳米硅：裂解碳：石墨重量比为100：48：72。
将硅/碳复合材料研磨成粉末，然后将粉末均匀的分散在酚醛树脂的酒精溶液中，形成一定粘度的浆料，在氮气保护的高温反应炉将所述浆料高温雾化成液滴，对所述液滴900℃高温焙烧2小时，得到锂离子电池负极材料，使得硅与包覆碳的重量比为100：30。
为检验利用本实施例制备的锂离子电池负极材料的性能，用该电池负极材料制备锂离子电池。其中负极材料：导电乙炔黑：SBR粘结剂：CMC增稠剂为94.5：1：2.5：2的质量比，混合成浆料涂覆到铜箔上并于真空干燥箱内干燥12小时制成负极片，与钴酸锂体系正极组成锂离子电池，电解液为1mol/l的LiPF6/（EC+DME），隔膜采用Celgard2400膜(从市场购买的隔膜)。
测试结果表明，首次充放电效率达92.8%，500次循环充放电后，容量保持率83.1%。
对比例1：
制备实施例1中的硅/碳复合材料作为负极材料，与实施例1中相同工艺制备锂离子电池。
测试结果表明，首次充放电效率达86.1%，500次循环充放电后，容量保持率75.2%。
实施例2
制备锂离子电池负极材料
将PVC溶于适量的四氢呋喃中，得到具有一定粘度的溶液，然后在磁力搅拌下，向溶液中慢慢加人纳米硅粉和石墨,纳米硅粉和石墨重量比为100：135。在室温下，待溶剂完全挥发后，形成块状的硅/碳复合材料前驱体，将所述硅/碳复合材料前驱体在混和气体保护下，于850℃焙烧2.5小时，得到步骤（1）的硅/碳复合材料，所述硅/碳复合材料是纳米硅/裂解碳/石墨，使得纳米硅：裂解碳：石墨重量比为100：55：80。
将硅/碳复合材料研磨成粉末，然后将粉末均匀的分散在酚醛树脂的酒精溶液中，形成一定粘度的浆料，在氮气保护的高温反应炉将所述浆料高温雾化成液滴，对所述液滴850℃高温焙烧2.5小时，得到锂离子电池负极材料，使得硅与包覆碳的重量比为100：28。
为检验利用本实施例制备的锂离子电池负极材料的性能，用该电池负极材料制备锂离子电池。锂离子电池制备方法同实施例1。
测试结果表明，首次充放电效率达92.5%，500次循环充放电后，容量保持率82.6%。
对比例2：
制备实施例2中的硅/碳复合材料作为负极材料，与实施例1中相同工艺制备锂离子电池电池。
测试结果表明，首次充放电效率达85.3%，500次循环充放电后，容量保持率75.4%。
实施例3
制备锂离子电池负极材料
将PVC溶于适量的四氢呋喃中，得到具有一定粘度的溶液，然后在磁力搅拌下，向溶液中慢慢加人纳米硅粉和石墨,纳米硅粉和石墨重量比为100：148。在室温下，待溶剂完全挥发后，形成块状的硅/碳复合材料前驱体，将所述硅/碳复合材料前驱体在混和气体保护下，于900℃焙烧2小时，得到步骤（1）的硅/碳复合材料，所述硅/碳复合材料是纳米硅/裂解碳/石墨，使得纳米硅：裂解碳：石墨重量比为100:58：90。
将硅/碳复合材料研磨成粉末，然后将粉末均匀的分散在酚醛树脂的酒精溶液中，形成一定粘度的浆料，在氮气保护的高温反应炉将所述浆料高温雾化成液滴，对所述液滴900℃高温焙烧3小时，得到锂离子电池负极材料，使得硅与包覆碳的重量比为100：34。
为检验利用本实施例制备的锂离子电池负极材料的性能，用该电池负极材料制备锂离子电池。锂离子电池制备方法同实施例1。
测试结果表明，首次充放电效率达91.7%，500次循环充放电后，容量保持率82.3%。
对比例3：
制备实施例3中的硅/碳复合材料作为负极材料，与实施例1中相同工艺制备锂离子电池。
测试结果表明，首次充放电效率达82.6%，500次循环充放电后，容量保持率73.2%。
由上述实施例和对比例可以看出：采用喷雾干燥法对高温裂解法制备的硅/碳复合材料进行了表面碳包覆，得到了形貌规整、粒度分布均匀、核壳结构的碳包覆硅/碳复合材料。而且碳包覆后电极材料的电压滞后现象得到显著的改善。由于碳包覆硅/碳复合材料的碳壳层的存在，避免了复合材料表面裸露的硅与电解液直接接触，在碳包覆硅/碳复合材料表面上形成了稳定的SEI膜，提高了其首次充放电效率和循环稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述负极材料是在硅/碳复合材料上包覆有碳包覆层。
2.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述硅/碳复合材料中硅和碳以及碳包覆层的碳的重量比为100:120～150：25～35。
3.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述碳包覆层是裂解碳包覆层。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述硅/碳复合材料是纳米硅/裂解碳/石墨复合材料。
5.如权利要求4所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述硅/碳复合材料中纳米硅、裂解碳和石墨的重量比为100：48～60：72～90。
6.如权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述负极材料的制备方法包括如下步骤，
（1）制备硅/碳复合材料；
（2）对硅/碳复合材料进行碳包覆处理。
7.如权利要求6所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：将PVC溶于适量的四氢呋喃中，得到具有一定粘度的溶液，然后在磁力搅拌下，向溶液中慢慢加人适当配比的纳米硅粉和石墨，在室温下，待溶剂完全挥发后，形成块状的硅/碳复合材料前驱体，将所述硅/碳复合材料前驱体在混和气体保护下，于700-900℃焙烧2-4小时，得到步骤（1）的硅/碳复合材料。
8.如权利要求6所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：将硅/碳复合材料研磨成粉末，然后将粉末均匀的分散在酚醛树脂的酒精溶液中，形成一定粘度的浆料，将所述浆料高温雾化成液滴，对所述液滴高温焙烧，得到锂离子电池负极材料。
9.如权利要求8所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述高温焙烧温度为700-900℃，焙烧时间为2-4小时。
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